以微生物为主导的开创性环境生物技术

以微生物为主导的开创性环境生物技术

2021/10/19

以微生物为主导的开创性环境生物技术 COMAMMOXComamox细菌将海鲜加工废水转化为肥料

近年来企业对SDGs的态度和努力是企业评估和投资的重要标准整个国际社会对于解决全球问题的理解肯定正在发生变化。其中，“创造的责任，消费的责任”也列为目标与废物处理相关的问题是企业开展经营活动时不可避免的问题。这一次，AIST 并没有简单地将废物无害化，而是将其转化为无害化处理。利用微生物将食品加工废水转化为有机肥料的资源回收技术这种有机肥可用于水耕栽培，在日本具有发展水耕栽培的潜力。此次公布的技术是变废为宝这与通过再利用来保护环境的传统理念相比向前迈出了一步“升级改造”举措我们向研究人员询问了导致这项新技术建立的关键点以及他们对未来的展望。

微生物鉴定的突破

　2021年3月，AIST宣布开发出一种以富含蛋白质的食品加工废水为原料，稳定高效地生产可用于水耕栽培的有机液体肥料的技术。 (3/30 新闻稿文章）

　这项研究是与静冈县开发小型工业机器人和新农业技术的公司 IAI Corporation (IAI)、静冈大学、静冈县工业技术研究所、沼津产业支援中心和 AIST 合作进行的。

AIST 环境创造研究部的 Yuya Sato 领导了这项研究。佐藤介绍，这项技术涉及氨化作用，将废水中丰富的蛋白质（氨基酸）分解为氨，并将氨转化为硝酸根离子（氧化氮化合物：NO），可用作有机液体肥料。₃^－)。研究小组成功地鉴定了在每个化学反应过程中发挥有用作用的微生物，并发现了微生物活跃所需的环境条件。

　利用微生物制造硝酸根离子作为有机肥料具有重要意义。硝酸根离子是植物必需的氮养分，但日本农业标准（JAS）并不将化学产生的硝酸根离子视为有机肥料。此外，迄今为止，在不使用化学处理的情况下从有机化合物稳定地产生硝酸根离子在技术上一直是困难的。此次开发的技术如果能够利用微生物制造硝酸根离子并大量生产作为有机肥料，预计在未来的水耕农业中大有用武之地。

该研究的核心成员IAI此前曾致力于以食品加工废水为原料，利用微生物生产有机肥料。然而，这项研究的结果却包含了一个与以往研究显着不同的划时代的发现。

　有机液肥生产中尤为重要的是硝化过程，该过程由“氨→亚硝酸盐→硝酸”两步反应组成。 IAI此前已经研究了两步硝化反应最大化的环境条件和微生物，并推断出两种不同的微生物——氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌——发挥了作用。然而，实际上，设备内部有数千种微生物，很难科学地验证其中哪些微生物发挥着重要作用。

　研究小组最大的成就是确定了唯一促进这两个步骤反应的微生物是Comammmox细菌，并且还发现Comammox细菌通过与喜欢缺氧环境的厌氧细菌共存来维持有利栖息地和适度低氧量的平衡。

充分利用新的测序仪和基因组数据库

　为什么研究团队能够识别微生物并揭示它们的栖息地？这是团队不断实验和新技术相结合的结果。

　此次实验历时一年多，实验池由IAI管理，池内每天充满100多升海鲜加工废水，液体肥料每天取出。产业技术研究院团队对反应槽内微生物附着、生存的共计150多个管状“载体”进行基因组分析，并根据微生物数据反复检查装置的运行状况。

　佐藤说：“分析结果与其他研究机构共享。在AIST，收集的样本通过新的测序仪反复运行并进行反复分析，而静冈大学、静冈县工业技术研究所和沼津工业支持中心则分析水质并识别和搜索微生物。通过使用它，您可以立即获得样本中有多少微生物具有何种遗传信息的证据。通过将这些原始信息与基因组数据库进行比较，我们反复研究了微生物的类型和特性。我相信如果没有新的测序仪和基因组数据库，这个结果是不可能实现的。”

目前存在日本、美国和欧洲三大基因组数据库，并且它们之间相互共享信息。基因组数据库服务自 20 世纪末以来就已经存在，但随着 2010 年左右新测序仪的出现，其用途大大扩展。这是推动这项研究的原因之一。

生活在我们周围大自然中的comammox细菌

顺便问一下，最近发现的“Comammox细菌”是什么微生物？这种细菌是2015年由欧洲的两个研究小组同时发现的，但随后世界各地研究人员的调查证实，它是一种存在于自然界各处的细菌，包括稻田、田野、河床、草原和湖泊。目前正在进行研究以确定它在栖息地中的功能。佐藤说，Comammox 细菌很可能也在生态系统的循环中发挥着重要作用。

　微生物像人类一样利用氧气进行呼吸。然而，在无氧环境中，微生物使用硝酸代替氧气。硝酸是获取能量的底物，生产硝酸对于微生物来说是非常重要的一步。生物将氨及其化合物作为废物排出。在这项研究中，我们证实 Comammox 细菌可以有效地从氨中产生硝酸，我们预测这种细菌也可能在各种自然环境中发挥重要作用。”

微生物世界99%是未知的

　在宣布这项研究结果后，研究团队进入了下一阶段的开发，将设备放大了大约 10 倍。然而，设备启动后不久，该公司就遇到了液肥转化效率大幅下降的现象。

　当我调查时，我发现Comammox细菌即将被其他氨氧化细菌消灭。在多样化的微生物种群中，微生物之间存在着关系。一般来说，大型微生物和小型微生物之间存在着捕食关系，微生物不断处于生存竞争之中。即使存在类似类型的微生物种群，活性微生物也会因地区和环境条件的不同而不同，发生的反应也会有所不同。因此，举例来说，即使你知道哪些微生物对植物很重要，但如果将它们引入到本地微生物彼此有很强关系的群落中，它们可能会被淘汰，无法长期维持。”

　微生物之间的竞争发生在设备内部超出人类视觉的微观水平。环境控制措施到位，以确保 Comammox 细菌的存活。

　非常有趣的是，微生物是这样形成群落的。在同样的环境下，微生物包括细菌、古细菌、真核生物，虽然它们不是严格意义上的生物，但也有病毒。我想深入了解这个社区，调查它对周围环境、动植物的影响。现在的关系非常复杂，我完全无法理解，而且会发生不可预测的事情，但我的长远目标是最终能够控制整个社区朝着我想要的方向发展。”

　研究团队随后在该装置中找到了与Comammox细菌环境控制相适应的条件，并能够成功生产出具有足够转化效率的液体肥料。

　“在新型测序仪出现之前，我们每天最多只能分析大约 100 个 DNA 片段，但自从它们推出以来，我们每天能够分析超过 1000 万个 DNA 片段，增加了 10 万倍，”Sato 说。这种加速为人类提供了一种更有效的方法来确认例如体内肠道菌群以及土壤和海水中有用细菌的存在。然而，即使在可以对大量样本进行大规模遗传分析的今天，据说99%以上的微生物的真实身份仍然未知，也就是说，它们无法被培养。 “关于生活在我们日常环境中的微生物的许多事情仍然是未知的，微生物的可能性是无限的。”佐藤和他的同事的研究的未来也是无限的。